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Hay mucha materia en el mundo. Gran parte de esa materia está disponible en forma de material utilizable, que puede emplearse para fabricar cosas. Estos materiales tienen propiedades diversas, pero a veces, estas propiedades no son suficientes. Entonces, ¿qué pasaría si combináramos materiales para obtener lo mejor de todos ellos? Eso es lo que es un material compuesto.
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Enviar comentariosUn material compuesto es una combinación de dos o más materiales, que tiene propiedades físicas diferentes de las de los materiales de los que está hecho.
Los materiales compuestos están a tu alrededor:
Además de los materiales compuestos, los cerámicos también son materiales hechos de una combinación de dos o más materiales. ¿Sabías que el vidrio es un tipo de cerámica? En los siguientes apartados, veremos cuáles son los distintos tipos de materiales compuestos, cómo se fabrican estos materiales y sus aplicaciones
Las propiedades de un material compuesto dependen de los materiales que lo componen.Sin embargo, la principal característica delos materiales compuestos es que son materiales que son una combinación de dos o más materiales diferentes.
En un material compuesto, los materiales constituyentes pueden desempeñar un papel de cualquiera de los dos:
El material de refuerzo puede ser un material fibroso o fragmentos de material. El material de refuerzo se extiende a través del material aglutinante.
El material aglutinante rodea al material de refuerzo y lo mantiene en su sitio.
Los materiales individuales se eligen para obtener algo que pueda utilizarse como material único, y que tendrá las propiedades combinadas de sus materiales constituyentes. Pero los materiales compuestos que se han aplicado y aceptado como estándar en la industria, suelen tener estas propiedades comunes:
Los materiales compuestos se fabrican para obtener un material que presente propiedades superiores a las de los materiales originales. Estas combinaciones pueden hacerse como sea necesario para que el material compuesto cumpla los requisitos. Sin embargo, en función del tipo de material de refuerzo utilizado, los materiales compuestos pueden clasificarse en 4 categorías:
| Tabla 1. Categorías de materiales compuestos | |
|---|---|
| Categoría de material compuesto | Detalles |
| Materiales compuestos reforzados con fibra | Materiales compuestos en los que el material de refuerzo es una fibra envuelta por una matriz que suele ser una resina. |
| Materiales compuestos reforzados con partículas | El material de refuerzo es duro y quebradizo, esparcido en una matriz que es más dúctil y blanda. |
| Materiales compuestos endurecidos por dispersión | Partículas muy diminutas del material de refuerzo se dispersan en una matriz. |
| Materiales compuestos estructurales | Los materiales constituyentes suelen estar unidos entre sí mediante un material aglutinante. Ejemplo: madera contrachapada. |
Basándose en estas categorías, existen muchos tipos de materiales compuestos, algunos de los cuales se enumeran a continuación -
| Tabla 2. Tipos comunes de materiales compuestos | ||
|---|---|---|
| Compuesto | Detalles | Ejemplo |
| Panel sándwich | Capas de materiales apiladas unas sobre otras. | Madera contrachapada |
| Espumas sintácticas | Metales, plásticos o cerámicas rellenos de microbalones de plástico o vidrio. | Módulos de flotabilidad para aplicaciones marinas |
| Compuesto de n ido de abeja | Un material en una estructura alveolar con otro material relleno o superpuesto. | Chasis de automóvil monocasco de fibra de carbono |
| Hormigónarmado | Hormigón reforzado con barras de acero o fibra de vidrio | Barras de acero para la construcción |
| Compuesto de matriz metálica (MMC) | Fragmentos o fibras de metal extendidos a través de un material aglutinante. | Piezas de motor y frenos de automóviles |
| Materiales compuestos de matrizcerámica (CMC) | Fibras de cerámica extendidas a través de una matriz de cerámica. | Turbinasy motores de combustión interna |
| Polímero reforzado con fibras | Fibras de un material extendidas a través de una matriz de resina o plástico. | Polímero reforzado con fibra de carbono, fibra de vidrio. |
Éstos son sólo algunos de los tipos de materiales compuestos posibles. Como ya se ha dicho, los materiales pueden combinarse en cualquier surtido, para producir un material compuesto con cualquier propiedad. Por ejemplo, el papel plastificado también es un material compuesto. Tiene más durabilidad que el papel normal, gracias al plastificado. Puedes verlo en los naipes. El papel maché también es un material compuesto. El papel actúa como material de refuerzo que se extiende a través de una matriz de un adhesivo.
Máscara hecha con papel maché | Foto de andreusK en Unsplash
Ya hemos mencionado algunos ejemplos de materiales compuestos, pero vamos a profundizar en una clase específica de ellos: la cerámica.
Las cerámicas pueden considerarse materiales compuestos cuando están formadas por una matriz cerámica reforzada con un material de relleno. La matriz suele estar hecha de un material cerámico, como carburo de silicio o alúmina, mientras que el material de relleno puede estar hecho de diversas sustancias, como fibras metálicas o poliméricas.
El material de relleno se añade para mejorar las propiedades mecánicas de la cerámica, como la dureza, la resistencia y la resistencia al desgaste. El material compuesto resultante tiene propiedades superiores a las del material cerámico puro. La cerámica como material compuesto tiene una amplia gama de aplicaciones, como la ingeniería aeroespacial, automovilística y biomédica.
La arcilla es un mineral que se encuentra en la tierra. Cuando la arcilla está húmeda, puede adoptar cualquier forma. Cuando la arcilla se calienta en un horno, se endurece. Los ladrillos son un ejemplo de cerámica de arcilla. También habrás visto ollas y utensilios de barro hechos de cerámica arcillosa.
El vidrio tiene una gran variedad de usos en nuestra vida cotidiana. ¿Sabías que el componente clave del vidrio es la arena? La composición química del vidrio es dióxido de silicio, que es de lo que está hecha la arena. La arena se mezcla con otros materiales y se calienta a una temperatura muy alta hasta que se funde. Cuando se enfría, las moléculas se organizan en una estructura cristalina que forma el vidrio. Según los materiales que se mezclan con la arena, el vidrio es de dos tipos:
Vidrio sodocálcico
La mayor parte del vidrio que encuentras es vidrio sodocálcico. Se utiliza para hacer vasos, botellas, ventanas y otras cosas comunes de vidrio. La cal sodada se fabrica mezclando arena con carbonato sódico y piedra caliza antes de fundirla. Cuando se enfría, se le puede dar la forma deseada. El vidrio sodocálcico no sirve para calentar porque tiene un punto de fusión relativamente bajo. Ahí es donde resulta útil el vidrio de borosilicato.
Vidrio borosilicato
El vidrio borosilicato tiene un punto de fusión más alto que el vidrio sodocálcico y, por tanto, es útil para calentar. El vidrio borosilicato se fabrica mezclando arena con trióxido de boro (B2O3) y fundiéndolo después. Los tubos de ensayo, vasos de precipitados y demás material que utilizarás en el laboratorio de química están hechos de vidrio borosilicato. El vidrio de borosilicato también se utiliza para fabricar algunos utensilios de cocina.
Anteriormente en este artículo, has leído que en un material compuesto, el material de refuerzo puede ser un material fibroso o fragmentos de un material, mientras que el material aglutinante rodea al material de refuerzo y lo mantiene en su sitio. El ejemplo del hormigón armado sería ideal para entenderlo mejor.
El hormigón armado se utiliza en la construcción de edificios, puentes y otras megaestructuras similares. La próxima vez que veas la construcción de un edificio, fíjate en las largas varillas metálicas que salen de los bloques de cemento.
Hormigón armado | Estudiante de Tecnología
Estas varillas son varillas de acero, que están reforzando el hormigón, y combinadas forman un material compuesto. El hormigón armado se utiliza porque tiene propiedades que no se encuentran en el cemento solo ni en el acero solo:
Entre los compuestos de polímeros reforzados con fibra, la fibra de carbono está ganando popularidad rápidamente, ya que ofrece una resistencia increíble y es extremadamente ligera. Su uso se ha extendido desde las naves espaciales a la industria automovilística, pasando por el equipamiento deportivo y los productos de seguridad, como los cascos de bicicleta.
Un trozo de fibra de carbono tejida | Hiconsumption.com
Una hélice hecha de un compuesto de fibra de carbono Hiconsumption .com
En los compuestos de fibra de carbono, el material de refuerzo son trozos de fibras tejidas de carbono de 5-10 micrómetros de grosor (10-6 m). El material aglutinante es resina epoxi. La resina epoxi es un líquido viscoso que se endurece cuando se expone a la luz ultravioleta (UV).
A pesar de sus grandes ventajas (especialmente la mejora de sus propiedades y su adaptabilidad), los materiales compuestos también tienen desventajas que, en algunos casos, pueden superar a sus ventajas.
| Tabla 3. Ventajas y desventajas de los materiales compuestos | |
|---|---|
| Ventajas de los materiales compuestos | Desventajas de los materiales compuestos |
| Elevada relación resistencia-peso | El proceso de fabricación es complejo y costoso |
| Buena resistencia a la fatiga | Susceptibles de sufrir daños por impactos y concentraciones de tensiones |
| Resistente a la corrosión | Difícil de reparar si se daña |
| Propiedades a medida según la aplicación específica | Algunos tipos de materiales compuestos pueden tener problemas medioambientales |
| Estabilidad dimensional | Flexibilidad de diseño limitada en comparación con los materiales tradicionales |
| Pueden adoptar formas complejas | Disponibilidad limitada de opciones de reciclaje y eliminación |
| Aislamiento eléctrico | Puede requerir herramientas especializadas para su producción |
| Puede diseñarse para tener una conductividad térmica baja | Pueden tener un coste inicial más elevado que los materiales tradicionales |
Para destacar aún más las propiedades y ventajas de los materiales compuestos, veamos otros materiales, como los polímeros y los metales. Esto ayudará a destacar la diferencia entre los materiales compuestos y otros materiales y la importancia de utilizar materiales compuestos en lugar de estos materiales.
Los polímeros son sustancias formadas por macromoléculas.
Las macromoléculas son moléculas muy grandes formadas por unidades repetitivas de moléculas más pequeñas y sencillas.
Los plásticos son el tipo más común de polímeros en uso. El polietileno (más conocido como polietileno) se utiliza mucho en la fabricación de bolsas de transporte (polibolsas). El polietileno está formado por unidades repetidas de C2H4: la fórmula química del polietileno es (C2H4)n.
Lámina de polietileno utilizada como envoltorio para alimentos | Photo by Wicki58 onUnsplash
Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos. La celulosa, el ADN, la lana y la seda son ejemplos de polímeros naturales. Los polímeros sintéticos son el teflón, el nailon, el poliéster y el epoxi.
El teflón se utiliza como revestimiento antiadherente en utensilios. El nailon es un termoplástico fabricado a partir del petróleo, que suele fabricarse como fibra y se utiliza para hacer ropa, cinturones de seguridad, airbags, etc.
Las resinas epoxi se utilizan como material aglutinante en materiales compuestos reforzados con fibras, como la fibra de carbono y la fibra de vidrio. Sus propiedades son:
hacen de las resinas epoxi materiales candidatos ideales para ser utilizados como aglutinantes en materiales compuestos reforzados con fibras.
Los polímeros son una amplia clase de materiales en la que existen materiales con propiedades muy diversas. De todos los polímeros, la resina epoxi es un tipo de material polimérico que se utiliza en la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras.
Los metales son sustancias elementales. Se encuentran en forma de minerales en la tierra y hay que extraerlos antes de utilizarlos en cualquier otra aplicación. Los metales son cristalinos cuando son sólidos. Todos son buenos conductores de la electricidad y el calor, son lustrosos (brillantes) y muy maleables. Los metales se utilizan como materiales en estado puro (hierro, cobre, oro, plata) o mediante aleaciones (acero, latón, bronce, oro blanco).
Recuerda que las aleaciones son mezclas de dos o más materiales.
Los metales se utilizan en los materiales compuestos como material de refuerzo o aglutinante.
Las espumas sintácticas y los materiales compuestos de matriz metálica utilizan metales como material aglutinante, o matriz. Algunas espumas sintácticas tienen una matriz metálica recubierta de microbalones de vidrio o plástico. Otras espumas sintácticas utilizan esferas metálicas como material de refuerzo en una matriz de epoxi o polímero.
Espuma sintáctica | Alchetron
Los compuestos de matriz metálica (MMC) son una clase de materiales compuestos que utilizan metales como matriz a través de la cual se extienden fibras o partículas de un material de refuerzo. Los materiales compuestos a base de aluminio se utilizan sobre todo en el sector automovilístico y aeroespacial, y en microelectrónica. El material compuesto a base de aluminio más común son los paneles compuestos de aluminio (ACP).
Las planchas de ACP están compuestas por capas alternas de planchas de aluminio unidas a planchas termoplásticas. Los compuestos a base de titanio proporcionan una mayor resistencia específica y rigidez, a la vez que son bastante más ligeros que las aleaciones de titanio. Se utilizan en sistemas de propulsión a chorro.
Capas del panel compuesto de aluminio | Paneles compuestos a medida
Las aleaciones metálicas ofrecen mejores prestaciones que sus formas puras en cuanto a dureza, rigidez, resistencia a la corrosión, etc. El uso de metales en materiales compuestos proporciona muchas más ventajas que las aleaciones, ya que pueden ser más ligeros y, al mismo tiempo, tener un rendimiento mucho mejor que las aleaciones y los metales puros.
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